CN104061024A - 具有不均匀分布的翼型和均匀喉部面积的喷嘴环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有不均匀分布的翼型和均匀喉部面积的喷嘴环。对于在这里介绍的分段式喷嘴环，相邻导叶之间的喉部面积对于各个节段是相同的，这通过旋转(即，打开或关闭喉部面积)属于不同节段的单独导叶组合来实现。产生的均匀喉部面积会使喷嘴有均匀出射流角，以及使转子有均匀入口流角。基于此，消除了不均匀流对转子引起的高循环疲劳，可改进涡轮级的热力效率，而且喷嘴环不必相对于气体入口壳布置在固定位置上。

Description

具有不均匀分布的翼型和均匀喉部面积的喷嘴环
技术领域
本发明大体涉及用于内燃机的涡轮增压器的废气涡轮，并且更特别地，涉及用于在这种燃气涡轮中导引废气流的喷嘴环。
背景技术
用于内燃机的涡轮增压器的带有固定涡轮几何构造的传统废气涡轮包括用于将废气引导到多个转子叶片的涡轮喷嘴。涡轮喷嘴包括多个沿周向隔开的定子导叶，定子导叶在它们的根部和末端处不动地连结到径向内侧和径向外侧环形支承环上。在径向流涡轮或混合流涡轮的情况下，喷嘴环的定子导叶在它们的根部和末端处固定到环形支承环上，环形支承件在流道的各个相对的侧布置成彼此相邻。
如图4中显示的那样，各个喷嘴导叶都具有翼型横截面，翼型横截面具有前缘、后缘，以及在它们之间延伸的压力侧和吸力侧。一个导叶的后缘与相邻导叶的吸力侧隔开。各个导叶都包括喉部线，喉部线在导叶吸力侧上从根部延伸到末端，以与相邻的一个的后缘限定具有最小喉部面积的喉部。相邻导叶限定单独的喉部面积，而且它们共同限定整个喉部面积。这些面积由各个特定的废气涡轮设计规定，而且是影响涡轮增压器性能的关键因素。
优选通过在相邻导叶之间提供基本均匀的单独的喉部面积来获得整个喉部面积。相邻导叶之间的喉部面积的变化可提供不合需要的空气动力激励压力，这可导致设置在喷嘴下游的转子叶片不合需要地振动。
US 5,182,855公开了一种制造涡轮喷嘴的方法，以在相邻导叶之间获得预定的喉部面积值。
用于轴向流、径向流和混合流涡轮增压器的喷嘴环通常分成涡轮两个或更多个不同的节段，对于每个角，节段包括不同数量的喷嘴导叶。与具有沿周向方向均匀分布的导叶的未分段式喷嘴环相比，转子的空气动力激励减小，而且关于高循环疲劳的机械完整性裕度得到改进。
所提到的分段式喷嘴环设计的主要问题在于，喷嘴喉部面积在节段之间有所不同。因此，喷嘴的出射流角也在节段之间有所不同。由于流的不均匀性，转子在第一模式形状中被激励，而且与具有由分布均匀的导叶组成的喷嘴环的级相比，涡轮级的热力效率降低。由于流的不均匀性，喷嘴环必须相对于气体入口壳布置在固定位置上。
发明内容
本发明的主要目标是提供一种分段式喷嘴环，对于每个节段，其包括不同数量的喷嘴导叶，导叶在相邻导叶之间具有均匀的单独喉部面积。
对于在这里介绍的分段式喷嘴环，相邻导叶之间的喉部面积对于各个节段是相同的，这通过旋转(即，打开或关闭喉部面积)属于不同节段的单独导叶组合(compounds)来实现。产生的均匀喉部面积会使喷嘴有均匀出射流角，以及使转子有均匀入口流角。
基于此，消除了不均匀流对转子引起的高循环疲劳激励，可改进涡轮级的热力效率，而且喷嘴环不必相对于气体入口壳布置在固定位置上。
涡轮级的热力效率以及转子的关于高循环疲劳的机械完整性可得到改进。可实现较高的转子导叶数，从而允许比流容量增加。可使用在空气动力学上得到改进的转子导叶来提供较高的热力效率。可实现较紧凑的产品，从而使得能够降低生产成本。较高的热力效率允许为最终顾客节约发动机燃料成本。由于喷嘴环不必相对于气体入口壳布置在固定位置上，所以可实现较简单和廉价的设计，其安装起来更容易和快速，因此进一步使得能够降低生产和维修成本。
根据结合附图得到的以下更详细的描述，本发明的这些和其它优点和特征将变得显而易见，附图以示例的方式示出本发明的原理。
附图说明
附图示出本发明。在附图中：
图1显示用于轴向涡轮增压器涡轮的喷嘴环，其具有两个节段和均匀的喉部面积，
图2示出导叶旋转，即关闭(图的上部)和打开(图的下部)，以实现恒定的喉部面积；
图3显示用于径向流或混合流涡轮增压器涡轮的喷嘴环，其具有两个节段和均匀的喉部面积；以及
图4显示喷嘴环的两个相邻导叶，突出显示两个导叶之间的喉部面积。
部件列表
1导叶的前缘
2，2'导叶的后缘
3导叶的末端
4导叶的根部
5喉部线
7，7'导叶的压力侧
8，8'导叶的吸力侧
a最小喉部面积
ns每个节段的导叶的数量
αi，αj节段的两个相邻导叶之间的角
γ1，γ2导叶轮廓旋转角。
具体实施方式
喷嘴环的各个导叶包括在传统上不动地连结到内部支承环上的根部、在传统上不动地连结到外部支承环上的末端、面向上游方向的前缘、面向下游方向的后缘，以及相反地朝向的吸力(或凸的)侧和压力(或凹的)侧，吸力侧和压力侧从前缘延伸到后缘，并且在根部和末端之间延伸。
相邻导叶在它们之间限定会聚通道，以将燃烧气体引导到导叶之间，以及引导燃烧气体通过喉部，以及从喉部向下游将燃烧气体引导到传统的涡轮转子级(未显示)。
如上面陈述以及图4中显示的那样，各个导叶具有前缘1和后缘2。各个导叶具有不动地连结到一个支承环上的根部4，以及不动地连结到另一个支承环上的末端3。压力侧7、7'和吸力侧8、8'从前缘1延伸到后缘2，以及在根部4和末端3之间延伸。各个导叶包括喉部线5，喉部线5在导叶压力侧7上从根部4延伸到末端3，以与导叶中的相邻导叶的后缘2'限定具有最小喉部面积的喉部。
喷嘴环由两个或更多个不同的节段组成。对于每个角，节段包括不同数量的导叶。在各个单独的节段内，导叶沿周向方向均匀地分布。与那类现有的喷嘴环设计相比，相邻导叶之间的喉部面积对于各个节段是相同的，这通过旋转(即，打开或关闭)属于不同节段的单独导叶组合来实现。
产生的均匀喉部面积会使喷嘴有均匀出射流角，以及使转子有均匀入口流角。基于此，消除了不均匀流对转子引起的高循环疲劳激励，可改进涡轮级的热力效率，而且喷嘴环不必相对于气体入口壳布置在固定位置上。
在图1中，显示了用于轴向涡轮增压器涡轮级的喷嘴环，其由两个节段(节段数量=2)组成。第一节段包括n1=11个导叶，而第二节段包括n2=12个导叶。对于各个节段，导叶沿周向方向均匀地分布。
在节段1中，导叶之间的角为α1，在节段2中，导叶之间的角为α2，其中α1≠α2。为了在各个节段的相邻导叶之间实现相同的喉部面积，属于不同节段的单独导叶组合通过围绕垂直于轮廓以及沿一个方向或另一个方向(即，打开或关闭)从各个导叶的根部延伸到末端的轴线旋转，来以特定(specific)轮廓旋转角定位，如图2中示出的那样。在第一节段中，导叶组合关闭角γ1，因而减小在导叶压力侧上从根部延伸到末端的喉部线和下一个导叶的后缘之间的封闭面积。在第二节段中，导叶组合打开角γ2，因而扩大在导叶压力侧上从根部延伸到末端的喉部线和下一个导叶的后缘之间封闭面积。选择节段的特定轮廓旋转角γ1和γ2，使得那个节段的喉部面积(即，节段1的a1)与其它节段的喉部面积(即节段2的a2)相等，其中a=a1=a2对应于目标喉部面积a。
相同概念也适合用于径向流或混合流涡轮增压器涡轮级的喷嘴环，如图3中显示的那样。
备选地，可用任何个导叶和超过两个节段来实现此概念，即
s≥2， n1≥1， n2≥1， …，ns≥1， ni≠nj， αi≠αj i，j=1…s，
其中，γ1，γ2，…，γs使得a1=a2=…=as=a。
可选地，可通过对不同节段的导叶使用不同的翼型轮廓，来在对于每个角包括不同数量的导叶的节段的相邻导叶之间实现相同喉部面积。
作为图4中显示的布置的备选方案，可以这样的角布置导叶：即，其使得在导叶吸力侧上从根部延伸到末端的喉部线与相邻导叶的后缘限定具有最小喉部面积的喉部。
虽然已经参照至少一个优选实施例来描述本发明，但本领域技术人员将清楚地理解，本发明不限于此。而是仅与所附权利要求结合起来解释本发明的范围。

Claims (7)

1. 一种用于废气涡轮增压器的涡轮的喷嘴环，所述喷嘴环包括两个支承环和多个沿周向隔开的导叶，各个导叶包括：不动地连结到所述支承环中的一个上的根部(4)；不动地连结到所述支承环中的另一个上的末端(3)；前缘(1)；后缘(2)；吸力侧(8)和压力侧(7)，所述吸力侧和所述压力侧从所述前缘(1)延伸到所述后缘(2)，并且在所述根部(4)和所述末端(3)之间延伸；以及喉部线(5)，其在所述压力侧(7)上从所述根部(4)延伸到所述末端(3)，以与所述导叶中的相邻的一个的后缘(2')的限定喉部面积(a)，所述导叶布置成至少两个节段，对于每个角,所述节段具有不同的导叶分布，其特征在于，对于每个角，各个节段包括不同数量的导叶，同时所述导叶在各个节段内沿周向方向均匀地分布，并且相邻导叶之间的喉部面积(a)对于所有节段中的各对相邻导叶相同。
2. 根据权利要求1所述的喷嘴环，其特征在于，节段的所有导叶都以特定轮廓旋转角(γ1，γ2)定位。
3. 根据权利要求2所述的喷嘴环，其特征在于，第一节段的所有导叶的特定轮廓旋转角(γ1)都不同于第二节段的所有导叶的特定轮廓旋转角(γ2)。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的喷嘴环，其特征在于，所述喷嘴的导叶环具有相同的翼型轮廓。
5. 根据权利要求1至3中的任一项所述的喷嘴环，其特征在于，第一节段的导叶的翼型轮廓不同于第二节段的导叶的翼型轮廓。
6. 一种废气涡轮，包括权利要求1至5中的任一项所述的喷嘴环。
7. 一种涡轮增压器，包括权利要求6所述的废气涡轮。
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